照相物镜设计

汉口学院 应用光学 课程设计报告 报告题目：报告题目： 照相物镜设计 学生姓名：学生姓名： 学学 号：号： 专业班级：专业班级： 授课老师：授课老师： 二二 O 一四年十二月一四年十二月 欢迎下载2 目目 录录 一、一、选题背景选题背景.3 二、二、设计要求设计要求.4 三、三、外形尺寸计算外形尺寸计算.4 四、四、结构选型及参数计算结构选型及参数计算.5 1.结构选型.5 2.参数数据.6 五、五、ZEMAX 初始数据初始数据.6 1.初始结构参数.6 2.缩放焦距.8 3.更换玻璃.8 六、六、ZEMAX 校正数据校正数据.10 1.设置约束对象.10 2.设置变量.11 3.优化.11 4.最终结构数据.11 七、七、像质评价像质评价.12 1.2D 草图.12 2.场曲和畸变.12 3.快速傅立叶变换调制传递函数.13 4.标准点列图.13 5.光线像差特性曲线.14 6.光路特性曲线.14 八、八、零件图零件图.15 九、九、学习体会学习体会.16 十、十、参考文献参考文献.18 欢迎下载3 一、一、 选题背景选题背景 照相机广泛应用于社会生活的各个领城，已成为科研、国防、 生产、教育以及文化生活各领域中的重要手段。它给人类的文明生 活带来了许多方便，随着科学技术的发展，人们物质文化生活水平 的提高，社会上的照相机也发展的越来越快，越来越普及了。 照相机是由镜头，光圈，快门，取景器，测距器，卷片，机身 （暗箱）等主要部件构成的。其中镜头的作用是通过光线把景物集 结成影像并投射到感光片上，使感光片接受清晰的影像，它的好坏 直接决定了照相机的性能。照相物镜的光学特性一般用焦距、相f 对孔径、视场角表示。此外还提出分辨率的要求，作为保fD/2 证产品质量的技术条件。 照相物镜的结构型式很多，而且不断有新的型式出现。选用照 相物镜的原则应该是:既能满足光学性能和成像质量的要求，而结构 又最简单。 双高斯物镜是具有较大视场(大约=40 左右)的物镜中相对孔2 径最先达到 1/2 的物镜1225。双高斯物镜是以厚透镜矫正匹兹万场 曲的光学结构，半部系统是由一个弯月形的透镜和一个薄透镜组成， 如图 1-1.1 所示。 欢迎下载4 图 1-1.1 图 1-1.2 图 1-1.3 双高斯照相物镜是目前多数大孔径物镜的基础，它的演变型式很 多，它的复杂化目的是为了改善成像质量，如图 1-1.2 所示，或者 是为了增大相对孔径，如图 1-1.3 所示，相对孔径可达 1/0.95。由 于双高斯物镜是一个对称的系统，因此垂轴像差很容易校正。设计 这种类型的系统时，只需要考虑球差、色差、场曲、像散的校正2 167。 二、二、 设计要求设计要求 设计一照相物镜,其相关技术要求为1238: 焦距;相对孔径;视场角。mmf302/1/fD 402 系统畸变2% ;空间频率为 40lp/mm 时,传递函数 MTF 0.4。 三、三、 外形尺寸计算外形尺寸计算 由于照相物镜结构比较复杂，而且它们的结构主要是由高级相 差决定的，所以照相物镜设计的初始结构一般都不采用初级像差求 解的方法来确定, 而是根据要求从手册、资料或专利文献中找出一 个和设计要求比较接近的系统作为原始系统，通过相差计算逐步进 行修改，达到满足要求的光学特性和成像质量2176。 在选择初始结构时, 不必一定找到和要求相近的焦距, 一般在 相对孔径和视场角达到要求时, 我们就可以将此初始结构进行整体 缩放得到要求的焦距值。 欢迎下载5 四、四、 结构选型及参数计算结构选型及参数计算 1. 结构选型结构选型 ；mmf30 ；2/1/fDmmD15 。 402 20 根据所要求的技术条件，选用双高斯物镜结构较为合适3。 利用光学设计软件 CODE V 寻找到一个合适的初始结构4，来自 美国专利 2117252 的初始结构5。其相对孔径和视场角都满足要求， 如图 4-1.1 所示。 图 4-1.1 欢迎下载6 2. 参数数据参数数据 其默认结构参数为时的数据，见表 4-2.1。1f 表 4-2.1 默认结构参数 五、五、 ZEMAX 初始数据初始数据 1. 初始结构参数初始结构参数 打开 ZEMAX, 设置相对孔径值，如图 5-1.1 所示。 图 5-1.1 欢迎下载7 按照镜头专利数据如图 5-1.2 所示，设置视场角及渐晕系数如 图 5-1.3 所示。 图 5-1.2 图 5-1.3 将表 4-2.1 中初始参数输入 ZEMAX，如图 5-1.4 所示。 图 5-1.4 欢迎下载8 2. 缩放焦距缩放焦距 默认结构参数为时的数据，输入焦距 30mm 进行缩放，如 1f 图 5-2.1 所示。 图 5-2.1 缩放后得到我们所设计的焦距的初始参数，如图 5- mmf30 2.2 所示。 图 5-2.2 3. 更换玻璃更换玻璃 ZEMAX 允许玻璃拥有相应的一种“替代”状态，在寻找更好的 设计方案的过程中自动改变玻璃类型。 设置当前激活的玻璃库，改为国产玻璃，如图 5-3.1 所示。 欢迎下载9 图 5-3.1 使用玻璃替代功能，如图 5-3.2 所示。 图 5-3.2 在玻璃解对话框中自由设置每块玻璃的状态使之变成“替代 （substitute） ” ，如图 5-3.3 所示。 图 5-3.3 到此，初始结构及其参数已经完成。 欢迎下载10 六、六、 ZEMAX 校正数据校正数据 1. 设置约束对象设置约束对象 选择默认优化类型为波前差，约束玻璃及空气的相关厚度,如图 6-1.1 所示。 图 6-1.1 在 MTE 里添加 MTFT 及 MTFS 约束各个视场 40lp/mm 时大于 0.4，并添加 DIMX 小于 0.02,EFFL 为 30，如图 6-1.2 所示。 图 6-1.2 欢迎下载11 2. 设置变量设置变量 设置所有面曲率半径及厚度为变量，如图 6-2.1 所示。 图 6-2.1 3. 优化优化 使用 Hammer 优化，如图 6-3.1 所示。 图 6-3.1 4. 最终结构数据最终结构数据 得到合适的结构数据，见表 6-4.1。 表 6-4.1 最终结构数据 欢迎下载12 七、七、 像质评价像质评价 1. 2D 草图草图 图 7-1.1 图 7-1.2 如图 7-1.1 所示，为优化前；如图 7-1.2 所示，为优化后。 2. 场曲和畸变场曲和畸变 图 7-2.1 图 7-2.2 如图 7-2.1 所示，为优化前；如图 7-2.2 所示，为优化后。 图中 distortion 即为畸变，由图知优化前后系统畸变2% ，符 合要求。 欢迎下载13 3. 快速傅立叶变换调制传递函数快速傅立叶变换调制传递函数 图 7-3.1 图 7-3.2 如图 7-3.1 所示，为优化前；如图 7-3.2 所示，为优化后。 MTF 值优化后，空间频率为 40lp/mm 时,传递函数 MTF 0.4， 符合要求。 4. 标准点列图标准点列图 图 7-4.1 图 7-4.2 如图 7-4.1 所示，为优化前；如图 7-4.2 所示，为优化后。优 化后点列图更加聚集。 欢迎下载14 5. 光线像差特性曲线光线像差特性曲线 图 7-5.1 图 7-5.2 如图 7-5.1 所示，为优化前；如图 7-5.2 所示，为优化后。 6. 光路特性曲线光路特性曲线 如图 7-6.1 所示，为优化前；如图 7-6.2 所示，为优化后。 由以上图像分析可知，像质在优化后都有了明显地提升，而且 满足设计要求。 欢迎下载15 八、八、 零件图零件图 第一面透镜零件图如图 8-1.1 所示。(透镜零件尺寸上下各留 1mm) 图 8-1.1 欢迎下载16 九、九、 学习体会学习体会 花了大概将近一个星期的时间终于完成了这份设计报告，所投 入的精力与时间远超预期。 从头止尾，跌跌撞撞，十分不容易。从最开始的选题开始，最 开始选的是投影物镜，但这类的范例实在太少了，作为新手考虑到 之后的操作进程，还是选了较为广泛的照相物镜，就当是投影物镜 的反向设计。然后具体的设计要求，也刻意避开了用的较多的例子， 找的相关书籍中的习题。 镜头选型时，在光学仪器设计手册中有一个十分合适的结 构，但在 ZEMAX 上设置运行之后却发现光线在透镜中反复折回，完 全没法用，检查设置后只好放弃。然后上网查资料，找镜头，开始 接触 CODE V 软件，使用 CODE V 的镜头专利库找到了合适的结构， 而在将 CODE V 中数据输入 ZEMAX 中后发现出现的结构完全不对，和 之前一样，但在 C0DE V 中运行却十分正常，我意识到必须弄清楚这 个问题，要不然我换多少结构都没意义，对比两个软件的设置以及 查阅资料之后，发现需要设置渐晕，限制光束，按原始专利数据设 置渐晕之后光路果然恢复正常，但是设计手册中的初始数据好像没 提到渐晕数据，那个结构也只好作罢。 替换玻璃原本是应该按初始玻璃来找参数相近的玻璃，但在 CODE V 专利中初始玻璃只有一串数据，如“610000.533000” ，搞得 我莫名其妙，以为是外国玻璃编号之类的东西查了半天，后来才突 欢迎下载17 然醒悟就是玻璃折射率与色散值，不过取的是小数点之后的值，略 感无语。 在初始结构完成后开始优化，当真是无头的苍蝇，按原来上课 教的方法进行优化却是聊胜于无，试遍已知手段，却发现甚至还不 如初始结构来的漂亮，毕竟初始结构已经是十分完美了，只不过缩 放了焦距，略改了数据。毫无头绪，只好求助于相关光学论坛，等 了很久，运气不错有人指点了一下，然后才知道应该有目的性的优 化，限制了 MTF 与畸变值，试了多次后终于有了点样子，达到设计 要求。 断断续续接近一个星期，其实大部分时间都是在解决问题或者 避开问题，真正操作写报告的时间并不多。在这个过程中，出现了 很多问题，大大小小的，深刻感受到了实际上“困难真比方法多” ， 有的问题是可以避开的，投机取巧，比如换玻璃我直接用的 ZEMAX 的更换功能，我不确定在那种情况下是否合适，有点不踏实但是得 到了结果；而有的是避不开的，比如优化，方法没用对图像显示的 就是不合格，你没法碰巧弄出来，这种时候挺磨人的，甚至想换个 简单点的题目吧，但我磨着磨着最终还是解决了，有种解脱的感觉， 虽说最后发现整个过程用的方法好像和老师教的有点走偏了，但是 结果合适。解决问题很有成就感，遇到问题很头疼，有些问题实际 上很简单但没人指导就是得花很多时间，没人一起讨论实在太痛苦。 当然，也收获了不少，复习了一下相关知识，CODE V 是个好软件， ZEMAX 多了点熟练度，解决问题的感觉还不错。 欢迎下载18 十、十、 参考文献参考文献 1黄一帆，李林.光学设计教程M.北京:北京理工大学出版社，